Азотсодержащие органические вещества. 
Амины

Азот, как и кислород, часто входит в состав органических веществ, и его соединения необходимы для живых организмов.

Соединения, содержащие азот, отличаются большим разнообразием, чем кислородсодержащие. Это связано с тем, что у азота валентность выше и при этом он имеет три гибридных состояния, подобно атому углерода. Соединения с одинарной связью C-N называются амины, с двойной связью C=N — имины, с тройной связью C=N — нитрилы.

Существенное отличие азота от кислорода заключается в том, что азот может входить в органические соединения как в восстановленном, так и в окисленном состоянии. Электроотрицательность азота (х = 3,0) выше, чем у углерода (х = 2,5), и ниже, чем у кислорода (х = 3,5). Если азот связан с углеродом и водородом, то его степень окисления -3. В соединениях, содержащих нитрогрунпуN0₂, азот связан с кислородом и углеродом и находится в степени окисления +3. Органические соединения с окисленным азотом содержат внутренний запас окислителя. При наличии нескольких нитрогрупп в молекуле соединение становится взрывчатым. К веществам такого типа принадлежит 2,4,6-тринитротолуол (тротил).

Восстановленный азот придает органическим соединениям те же свойства, что и кислород: полярность, основность и кислотность, способность образовывать водородные связи. Однако полярность азотсодержащих соединений меньше, а водородные связи слабее, чем у кислородсодержащих. Поэтому по некоторым физическим свойствам амины оказываются между углеводородами и спиртами. В то время как все спирты при обычных условиях являются жидкостями, некоторые амины газообразные вещества:

Азот в состоянии $р³-гибридизации — хороший донор электронной пары. Поэтому, как мы уже знаем, амины проявляют довольно сильные основные свойства. В меньшей мере донорные свойства выражены у азота в состоянии $р²-гибридизации. Кислотные свойства азотсодержащих органических соединений гораздо слабее, чем кислородсодержащих. Но при участии электронов азота в сопряжении с я-электронами углерода кислотные свойства проявляются.

Один из классов азотсодержащих веществ — амины. Так называются азотсодержащие органические вещества, в которых атом азота соединен с углеводородными радикалами и соответствующим числом атомов водорода. В зависимости от числа радикалов различают:

• — первичные амины RNI1₂;
• — вторичные амины RR/NH;
• — третичные амины RR’R" N.

Следует обратить внимание, что понятия первичных, вторичных и третичных аминов не совпадают с соответствующими понятиями для спиртов.

Различают гомологические ряды предельных, непредельных и ароматических аминов. Здесь также имеется различие в терминологии, если сравнивать спирты и амины. В ароматических спиртах гидроксогрупиа должна быть связана с атомом углерода в радикале, а не в ароматическом цикле. В случае азотсодержащих соединений вещество с группой NH₂, связанной с ароматическим циклом, тоже считается амином.

Амины с небольшой молекулярной массой представляют собой жидкие или газообразные вещества, хорошо растворимые в воде. Они имеют неприятный запах, напоминающий запах аммиака. Специфический запах рыбы также связан с присутствием аминов. У высших аминов появляются те же особенности, какие отмечались у спиртов и кислот, — растворимость в воде уменьшается и появляется поверхностная активность.

Получение аминов. Один из способов получения аминов аналогичен получению спиртов. Это реакции галогенпроизводных углеводородов с аммиаком, идущие по механизму нуклеофильного замещения:

Амин здесь не может оказаться непосредственным продуктом реакции, так как образующийся хлороводород реагирует с ним как с основанием,.

давая соль амина. Для выделения свободного амина полученную соль обрабатывают щелочью:

Галогенпроизводное углеводорода реагирует не только с аммиаком, но и с первичным амином. При этом образуется вторичный амин, а на следующей стадии — третичный амин:

Амины получаются также гидрогенизацией нитрилов:

Ароматические амины получаются восстановлением нитросоединений. В качестве восстановителей используются металлы в кислой среде:

Этот ароматический амин называется анилин. Реакция восстановления нитросоединений открыта Н. Н. Зининым в 1842 г. В промышленности нитробензол восстанавливают водородом на никелевом катализаторе при ~300°С. Анилин стал очень важным промежуточным продуктом, применяемым для производства красителей, полимеров, лекарств и др. Мировое производство анилина — свыше 1 млн т в год.

Химические свойства аминов. Амины относятся к числу веществ, способных гореть с образованием С0₂, Н₂0 и азота N₂.

Как основания амины подобны аммиаку, от которого производятся замещением водорода на углеводородные радикалы. Эти радикалы влияют на силу оснований. Воздействие индуктивного и мезомерного эффектов на основные свойства в целом противоположно их воздействию на кислотные свойства. Предельные спирты по кислотным свойствам слабее воды, а предельные амины по основным сильнее аммиака; фенолы по кислотным свойствам значительно сильнее спиртов, а анилин, но основным свойствам значительно слабее предельных аминов.

В предельных аминах +/-эффект радикала повышает электронную плотность на азоте, поэтому увеличивается способность азота отдавать электронную пару для образования донорно-акцепторной связи. В анилине электронная пара азота участвует в сопряжении с ароматическими л-электронами и становится менее доступной для образования донорноакцепторной связи. Поэтому вещества располагаются в следующий ряд по ослаблению основных свойств:

предельные амины > NH₃ > ароматические амины.

Пример 22.15. В каком направлении смещено равновесие реакции между этиламином и гидрохлоридом анилина?

Решение. Этиламин более сильное основание, чем анилин. Поэтому равновесие смещено в сторону образования анилина:

Амины в качестве оснований реагируют с ионами металлов, образуя комплексные соединения. Ион металла выступает акцептором электронной пары азота, как и в случае реакций с аммиаком. Известно очень много комплексных соединений металлов d-блока с разнообразными аминами. При смешивании растворов сульфата меди и метиламина образуется интенсивно окрашенный раствор более чистого синего оттенка, чем в случае реакции с аммиаком (ст. т. 1, с. 337):

Диамины типа NH2CH2CH2NH2 дают более прочные комплексы, чем моноамины, так как каждая молекула имеет два донорных атома азота и присоединяется двумя донорно-акцепторными связями.

Первичные амины под действием азотистой кислоты (или нитрита натрия в кислой среде) дезаминируются, превращаясь в спирты:

В первичных и вторичных аминах водород аминогруппы замещается на углеводородные радикалы при реакциях с галогенпроизводными (см. получение аминов). Амин с галогенангидридом дает амид кислоты, в котором имеется радикал, связанный с азотом:

Третичные амины присоединяют галогенпроизводные углеводородов с образованием четырехзамещенных (четвертичных) солей аммония:

Это кристаллические, хорошо растворимые в воде вещества. В отличие от обычных солей аммония они не гидролизуются и не разлагаются щелочами.

В анилине и других ароматических аминах группа NII₂ проявляет положительный мезомерный эффект, ускоряя реакции электрофильного замещения в ароматическом радикале. Анилин обесцвечивает бромную воду, образуя при этом белый осадок триброманилина: